Cam ve Kullanım Alanları - Sayfa 2

CAM

genellikle saydam ya da yarı saydam, sert, inorganik madde.

Yüksek sıcaklıklarda akışkan olan cam, görünür kristallerin oluşumunu engelleyecek biçimde hızla soğutulduğunda katı duruma geçer.

Bileşimi ve özellikleri

Camın, kimyasal bileşimi ve fiziksel özellikleri açısından büyük değişiklikler gösteren birçok türü vardır; ama bu türlerin pek çoğu belirli ortak özellikler taşır. Hemen hemen bütün camlar, akışkan haldeyken soğutulduğunda önce ağdalı bir yapı kazanır, ardından sertleşerek katılaşır, cam karışımlar; belirli metal oksitleriyle birlikte eritildiğinde değişik renkler alır; düşük sıcaklıklarda ısı ve elektrik iletkenlikleri çok düşüktür; hemen hepsi, vurma ya da çarpma sonucunda kolayca kırılır ve hidroflüorik asit dışındaki bilinen çözücülerin çoğundan pek az etkilenir.

Camın sıvı ve kristalleşmiş durumları arasında yakın benzerlikler vardır. Kristalleşmiş camın atom ya da molekül yapısı, bu kristallerin oluştuğu sıvının atom ya da molekül yapısına çok benzer; yalnız, sıvı fazdayken moleküllerin hareketi oldukça hızlı, katı fazda ise çok daha yavaştır. Suda da görüldüğü gibi, içinde katışkı bulunmayan, homojen haldeki birçok sıvı, hiç sarsmaksızın, yeterince yavaş biçimde soğutulduğunda, donma noktasının altında, kristalleşmeden sıvı halde bulunduğu aşırısoğumuş bir yapı kazanır. Bu yapı, camın temel özelliklerinden biridir. Bazı maddeler ise aynı sıcaklık ve basınçta, biri camsı, öbürü kristalsi olmak üzere iki ayrı durumda bulunabilir.

Ticari camlar, soda camı ve özel camlar olmak üzere başlıca iki türdür. Cam üretiminin büyük bölümünü oluşturan soda camı, kum (silisyum dioksit, SİO2), soda (sodyum karbonat, NaCCb) ve kireçtaşından (kalsiyum karbonat, CaCCb) elde edilir. Erimiş silis de (silisyum dioksit) tek başına çok nitelikli bir camdır; ama kumun (kristalleşmiş silis) erime noktası 1.700°C’nin üstünde olduğundan, böylesine yüksek sıcaklıklara ulaşılması üretim giderlerini büyük ölçüde artırır.

Bu nedenle silis camı, yalnızca ürünün başka kimyasal maddelerle tepkimeye girme tehlikesi olan yerlerde, ani sıcaklık değişikliklerine karşı dayanaklılığın ya da başka özel üstünlüklerin arandığı durumlarda kullanılır. Gene de eritilmiş silis camı üretimi oldukça önemli bir sanayi dalıdır. Değişik özelliklerde silis camları üretilebilir; optik amaçlara yönelik üretimde hammadde olarak kuvars kumundan çok neceftaşı (kayaç kristali) kullanılır.

Silisin erime noktasını düşürmek amacıyla, karışıma katışkı giderici bazı maddeler (frit) eklenir. Örneğin soda katıldığında açığa çıkan sodyum oksit de aynı işlevi görür; silise yüzde 25 kadar sodyum oksit eklendiğinde karışımın erime noktası 1.723°C’den 850°C’ye düşer ve eritme zorluğu büyük ölçüde azaltılmış olur.

Ama bu tür camlar suda kolayca çözünebilir; su camı olarak bilinen bu çözeltilerin evlerde çeşitli kullanım alanları vardır. Karışımdaki kireçtaşmdan sağlanan kireç (kalsiyum oksit, CaO), camı yeniden çözünmez duruma getirir; ama kirecin gereğinden çok eklenmesi cam kristalleşfriesine yol açabilir. En uygun bileşim, yaklaşık yüzde 70 silis, yüzde 9 kireç ve yüzde 15 sodyum oksit ile daha düşük oranlardaki başka maddelerden oluşur; bu ideal bileşimde bile, mekanik biçim verme işlemleri sırasında cam kristalleşmesi tehlikesi söz konusudur. Levha cam yapımında genellikle yüzde 6 kireç ve yüzde 4 magnezya (magnezyum oksit, MgO) kullanılır.

Şişe camında ise hammadde karışımına yüzde 2 kadar alümina (alüminyum oksit, AI2O3) katılır. Karışıma çeşitli amaçlarla ve belirli oranlarla başka maddeler de eklenir. Bunlardan bazısı camın inceltilmesine (eritme işlemi sırasında oluşan hava kabarcıklarının giderilmesine), bazısı özellikle selenyum ve eser miktardaki kobalt oksit ise camın rengindeki istenmeyen tonların giderilmesine yardımcı olur. Örneğin kumda her zaman katışkı olarak demir bulunur. Şişe yapımında kullanılan kumun düşük demir içerikli olmasına ne kadar özen gösterilse de, eser miktardaki katışkılar bile cama istenmeyen bir yeşil renk verir. Selenyum ve kobalt oksit, eser miktarda arsenik trioksit ve sodyum nitratla birlikte kullanıldığında bu yeşil renk giderilebilir ve bilinen beyaz (renksiz) cam elde edilir.

Camın ağdalıhğmm sıcaklığa bağlı olarak değişmesi üretim süreci açısından büyük önem taşır. Erimiş camın ağdalılığı yaklaşık 1.000 poise’dır (ağdalılık katsayısı birinü olan poise [P], akışkanın 1 cm aralıklı iki paralel düzlemi arasında saniyede 1 cm’lik hız farkı oluşturan kuvvet olarak tanımlanır). Bu ağdalılık, soğuk havadaki balın ağdalılığından biraz fazladır ve cam soğudukça artar. Erimiş cama istenen biçimin verilebilmesi için ağdalılığm 104-108 P arasında olması gerekir. En çok kullanılan cam türlerinin bileşimleri ve ayrıntılı fiziksel özellikleri için bak. tablo.

Cam üretimi

Düz cam üretiminde günümüzde kullanılan başlıca yöntemler düşey çekme, haddeleme ve erimiş metal banyosu üstünde yüzdürmedir.

Düşey çekme işleminde, önce kafes biçimindeki bir demir tabla erimiş cam banyosuna daldırılıp yavaş yavaş yukan doğru çekilir. Demire yapışarak banyonun dışına çıkan cam eriyiğinin tablanın orta bölümüne doğru süzülerek aşağıya akmasını önlemek için, banyonun üstüne yükselen bölüm hızla soğutularak levhaya dönüştürülür ve iki ucundan çentikli merdanelerin arasına sıkıştırılır. Bu merdaneler cam levhayı daha yukarıdaki tavlama fırınına doğru ilerletir.

Bu arada, banyodan merdanelere ilk beslemeyi yapan demir tabla çıkarılarak alınır; bundan sonra sürekli dönen merdaneler banyodan levha camı kendi kendine çekip alabilir. Levhanın kalınlığı çekme hızına bağlı olarak ayarlanır. Merdanelerin dönme hızı yavaşladıkça, banyodan çıkan eriyiğin düzgün biçimde süzülmesine daha çok zaman kalır ve böylece katılaşan katman daha ince olur. Tavlama fırınında iç gerilimleri giderilen cam levha, 10 m kadar yukarıdaki kesici bölüme girer. Bu bölümde levha belirli boyutlarda kesilir ve emici tamponlar yardımıyla sehpalara yerleştirilir. Burada da levhanın merdanelerin arasından geçerken çentiklenen kenarlan kesilerek alınır ve artıklar öteki cam döküntüleriyle birlikte fırındaki kızgın banyoya geri atılır.

Haddeleme yöntemi ise, temel olarak bir sürekli döküm işlemidir. Kesintisiz bir şerit halinde dökülen cam, macun kıvamındayken önce biçimlendirme merdanelerine beslenir, daha sonra bir dizi haddeden geçirilir. Merdaneler arasındaki açıklık, elde edilecek levhanın kalınlığını belirler. Malzeme istenen kalınlıkta bir levha durumuna geldiğinde tavlama fırınına alınır. Cam, haddeleme sırasında merdanelerin metal yüzeyine değdiğinden, elde edilen ürün pürüzlü ve mattır. Bu yöntemle, merdane yüzeylerine desen verilerek bir ya da iki yüzü desenli camlar, ayrıca arasına tel örgü yerleştirilmiş iki levhayı merdanelerin arasından çekerek telli camlar üretilebilir. Modern cam eritme tonlarından 2,5-3 m eninde döküm şeritleri elde edilebilmekte ve bu şeritlerin saatte 300 m cani şerit işleyen merdanelerde haddelenmesinle çok büyük boyutlarda cam levhalar üretilebilmektedir. Bu levhaların taşlanması ve demir III oksit ya da seryum oksitle perdahlanmasıyla da yüksek nitelikli saydam cam elde edilir.

Düşey çekme yönteminde, ürün hiçbir metal yüzeye değmediği için son derece pürüzsüz ve düzgün olur, ama cam levhaların kahnlığı 1,5-3 mm’yi geçmez. Haddeleme yöntemiyle daha kalın düz camlar elde edilebilirse de, bu işlemin gerektirdiği taşlama ve perdahlama süreçleri maliyeti büyük ölçüde artırır. Bu nedenle bugün düz cam üretiminde yüzdürme yöntemi giderek her iki yöntemin de yerini almaktadır.

Yüzdürme yönteminde cam hamuru önce bir fınnda eritilir, ardından kapalı bir bölmedeki kalay eriyiği banyosunun üstüne akıtılır. Bu eritme ve akıtma işlemi, öteki yöntemlerde olduğu gibi kesintisiz bir süreçtir. Kalay banyosunun bulunduğu bölmedeki atmosfer, kalayın yükseltgenmesine (oksitlenmesine) engel olacak biçimde denetim altında tutulur; çünkü kalay oksit, elde edilen camın saydamlığını olumsuz yönde etkiler. Akışkanlık noktasının üstündeki sıcaklık derecelerine kadar ısıtılarak iyice inceltilen cam, kalay eriyiğinin yüzeyinde düzgün ve istenen kalınlıkta bir katman oluşturur.

Ardından kalay banyosunun daha düşük sıcaklıktaki bir bölgesine doğru kaydırılır ve burada yeterince sertleştikten sonra tavlama fırınına alınır. Bu yöntemle elde edilen cam düşey çekme yöntemiyle üretilen camla aynı nitelikte, üstelik taşlama ve perdahlama gerektirmeyecek kadar düz ve eşit kalınlıktadır. Şişe, bardak, tabak vb yapımında kullanılan şişe camlarının üretiminde, geleneksel üfleme yönteminin geliştirilmiş biçimleri ile kalıplama yöntemi genellikle birlikte uygulanır. Kalıplar ince gri dökme demirden yapılır ve yüzeyleri iyice perdahlanır. Üflemeyle kalıplamada, kalıba verilen camın miktarını ve ağdalılığını yakından denetlemek gerekir. Erimiş cam önce emilerek ya da kendi ağırlığıyla akarak bir önkahba alınır ve burada hava basıncıyla ya da zımbayla iç boşluğu oluşturulur; daha sonra asıl kalıba aktarılarak hava basıncıyla son biçimi verilir. Kalıplama yönteminde ise, dişi kalıba konan sıcak cam, zımbayla preslenerek biçimlendirilir. Tabak, tencere ve kültablalan genellikle bu yöntemle üretilir.

Ampul, tüp gibi çok ince cam eşyanın üretimi ise duyarlı aygıtlarla gerçekleştirilir. Günümüzde dakikada 33 ampul üreten makineler geliştirilmiştir. Bu makinelerde, macun kıvamında sürekli bir sıcak cam şeridi merdanelerin arasından geçer. Merdanelerin yüzeyi belirli derinliklerdeki dişi kalıplar halinde oyulmuştur. Cam şerit, merdanedeki kalıbın karşısına geldiğinde basınçlı havayla kalıba doldurulur ve kalıbın biçimini alır. Tüplerin üretiminde ise üfleme ve çekme işlemleri birlikte uygulanır. Bu yöntemde geleneksel üfleme demirinin yerini, içinden düşük basınçlı hava gönderilen bir mandren (metal çubuk) almıştır. Mandrenin ucundaki sıcak cam bir yandan üflenerek şişirilirken, öteki ucundan da asbest kayışlarla çekilerek uzatıhr.

Renkli cam üretiminde, cam karışımlarına bazı renk verici maddeler eklenerek karışımla birlikte eritilir; ama bu maddelerin camı nasıl renklendirdiği henüz tam olarak açıklanabilmiş değildir. Renklendirici olarak genellikle metal oksitleri kullanılır. Aynı metalin değişik oksitleriyle değişik renkler elde edildiği gibi, aynı metal oksit değişik cam karışımlarıyla değişik renkler de verebilir. Renklendirilecek camın bileşimi ne olursa olsun, kobaltla her zaman morumsu mavi, kromla krom yeşili ya da sarısı, uranyumla yanardöner kanarya sarısı, manganezle de menekşe rengi elde edilir.

Demir II oksit, katıldığı camın bileşimine bağlı olarak, zeytin yeşili ya da açık mavi bir renk verir. Demir III oksit, camı sarıya boyar; ama 2 değerli demire indirgenmesini önlemek için ortamda yükseltgen bir maddenin bulunması gerekir. Kurşunla açık sarı tonları elde edilir. Boya halinde camın yüzeyine sürülerek ısıtılan gümüş oksit kalıcı bir sarı renk oluşturur. Soda camına eklenen ince öğütülmüş bitkisel kömür de sarı renk verir. Selenyumun tuzları (selenatlar) ile selenyöz asidin tuzları (selenitler) camı açık pembeye ya da pembemsi sarıya, tellür de gene açık pembe tonlarına boyar. Nikel, potas camıyla menekşe, soda camıyla kahverengi tonlarını oluşturur. Bakır, karışımdaki bakır oksit oranı arttıkça yeşile dönen tavus mavisi rengini verir. Güçlü bir indirgeyiciyi içeren bir cam karışımına bakır oksit eklendiğinde, önce renksiz olan, ama yeniden ısıtıldığında fes rengine dönüşen bir cam elde edilir.

Özel cam türleri ve kullanım alanları.

Özel fiziksel ve kimyasal nitelikler gerektiğinde, çok değişik ve genellikle oldukça pahalı bileşimlerde cam türleri üretilir. Örneğin optik camlarda, istenen kırma indisi değerlerini ve ışığı renklerine ayırma özelliklerini elde etmek için, çok değişik bileşimlerden yararlanılır. Öptik camların başlıca iki türünden biri olan crown camı bir soda camıdır; ilk kez 17. yüzyılda İngiltere’de geliştirilen flint camı ise kurşunlu camdır (kristal) ve kırma indisi daha yüksektir.

Bu iki tür camdan yapılan mercekler birbirine yapıştırılarak, tek bir merceğin renkser sapınç ve benzeri optik kusurlarını taşımayan mercek sistemleri elde edilir. Merceklerde kullanılan bu iki temel türe, 1930’lardan bu yana geliştirilen yeni türler eklenmiştir. Bunlar arasında borosilikatlı crown camlan, baryumlu crown camları, baryumlu flint camları ile borat ve fosfat camları sayılabilir. Aynca azrak toprak elementleri ve flüor içeren optik camlar da üretilmektedir. Günümüzde kırma indisi 1,4 ile 2 arasında değişen ve ışığı ayırma özellikleri birbirinden çok farklı olan optik camlar elde edilebilmektedir.

Adi cam ani sıcaklık değişimlerinde çatlar. Bunun nedeni, sıcaklık birdenbire düştüğünde camın dış yüzeyinin hemen soğuyup büzülmesi, buna karşılık iç bölümlerin daha yavaş soğuması ve böylece cam içinde çekme gerilmelerinin oluşmasıdır. Bu nedenle, hızlı sıcaklık değişimlerine dayanıklı cam eşya, ısıl genleşme katsayısı düşük olan camlardan yapılır. Borosilikat camlarının genleşme katsayısı adi camın üçte biri kadardır; ayrıca bu tür camların kimyasal etkilere dayanıklılık, yüksek erime sıcaklığı ve yüksek elektrik yalıtkanlığı gibi bazı üstünlükleri de vardır.

Pyrex olarak da bilinen borosilikat camları ısıya dayanıklı mutfak eşyalarının ve yansımalı teleskoplardaki aynaların yapımında yaygın olarak kullanılır. Teleskop aynalarında bu camların yeğlenmesinin başlıca nedeni, sıcaklık değişimlerinin ayna boyutlarını, dolayısıyla görüntüyü etkilemesidir.

Otomobil ön camlarının ve cam kapılarının yapımında, insanların can güvenliği açısından, kırıldığı zaman parçalanmayacak camlar kullanılır. Bu amaçla, güvenlik camı denen iki cam türü geliştirilmiştir. Sertleştirilmiş (su verilmiş) güvenlik camı, düz camı yumuşama sıcaklığına yakın bir sıcaklığa kadar ısıttıktan sonra üstüne soğuk hava ya da gaz püskürtüp birdenbire soğutarak elde edilir. Böylece bükülmeye ve darbelere karşı büyük bir dayanıklılık kazanan cam, kırıldığında küçük küp biçiminde, kenarlan içbükey olduğu için çok kesici olmayan parçalara ayrılır.

Bazı ülkelerde, örneğin Ingiltere’de, otomobil ön camı olarak kullanılan sertleştirilmiş camın en büyük sakıncası, darbeye karşı adi çamdan 5-6 kat daha dayanıklı olmasıdır. İnsanın kafatası kemiğinden daha dayanıklı olan bu camlar, çarpma anında sürücü ve yolcuların yaralanmasına yol açabilir. Bu nedenle, daha dayanıksız olan, ama kırıkları çok kesici olmayan yaprak cam (katmanlı cam), otomobil ön camı olarak kullanılmaya daha uygundur. Bu tür camlarda, aralarına ince bir plastik (genellikle polivinil bütiral) katmanı yerleştirilen iki cam levha, sıcaklık ve basınç altında birbirine yapıştırılır. Aradaki plastik katman, çok ince olmasına karşın çok dayanıklıdır ve şiddetli bir darbede cam kırılsa bile bu katman sağlam kalır; cam kırıkları da plastik katmana yapışık kaldığı için etrafa saçılmaz. Daha kaim ya da birden fazla plastik katman kullanarak kurşun geçirmez camlar elde edilir. Yüksek gerilimli enerji iletim hatlarında yararlanılan cam izolatörlerde de sertleştirilmiş cam kullanılır.

Cam elyafından hem ısı ve elektrik yalıtkanı olarak, hem de deniz teknelerinin ve otomobil karoserlerinin yapımında kullanılan hafif sentetik reçinelere (plastikler) dayanıklılık vermek için yararlanılır. Cam elyafı çok ince (çapı mm’nin binde biri kadar) cam ipliklerinden oluşur. Erimiş camın çok ince deliklerden, dakikada birkaç km’ye varan hızlarda geçirilmesiyle üretilen bu ince ipliklerin yüzlercesi bir arada çekilerek cam ipi yapılır. Erimiş camın, yüzlerce küçük deliği bulunan ve hızla dönen bir tabladan merkezkaç kuvvetle çekilmesiyle elde edilen cam iplikleri, üstüne bağlayıcı bir sıvı püskürtüldükten sonra basınçlı hava etkisiyle düzensiz ve dağınık biçimde bir araya getirilir ve böylece cam yünü elde edilir.

Cam tozu ile karbon karışımının ısıtılmasıyla elde edilen ve köpük cam çok ince çeperli kabarcıklardan oluşan, çok hafif ve ısı yalıtkanlığı yüksek bir malzemedir. Kolayca kesilebilir ve kesildiğinde niteliklerini yitirmez. Isı yalıtkanı ve yüzdürücü olarak (örn. cankurtaran simitlerinde) kullanılır.

Cam tuğlalar ise, çelik konstrüksiyonlu yapıların duvarlarında, geleneksel toprak tuğla gibi harçla örülerek kullanılır. İki yarım parçanın birbirine eklenmesiyle oluşturulan cam tuğlanın içi boştur ve bu boşluktaki havanın ekleme işleminden sonra soğurken büzülmesiyle oluşan kısmi hava boşluğu, tuğlaya ses yalıtımı özelliği de kazandırır, iki cam levhanın, arada boşluk kalacak biçimde birbirine eklenmesiyle oluşturulan çift katlı pencere camları da ses ve özellikle ısı yalıtımı açısından önemli üstünlüğe sahiptir.

Cama gümüşün klorür, bromür, iyodür tuzlan katıştırılarak, morötesi ışınımın ve görünen ışığın etkisiyle ışık geçirgenliği değişen fotokromik camlar elde edilir. Bu tür camlarda ışık geçirgenliği, ışığın fotoğraf filminde oluşturduğu etki, benzeri bir süreç aracılığıyla değişir. Ama gümüş tuzu kristallerinin boyutlarının çok küçük olması nedeniyle, camdaki değişim tersinir niteliktedir. Fotokromik camlar genellikle gözlüklerde kullanılır.

Işık, saydam bir ortamdan başka bir saydam ortama geçerken kırılır. Camın içinden cam-hava yüzeyine gelen bir ışık ışını, eğer geliş açısı kritik açıdan küçükse, büyük ölçüde kırılarak havaya geçer; kritik açıdan daha büyük bir açı altında yüzeye gelen ışık ışınları ise camdan çıkamaz ve içte tam yansımaya uğrayarak yüzeyden geri döner. Prizmalı dürbünlerde, bazı fotoğraf makinelerinde ve telemetrelerde bu olgudan yararlanılır; aynı olgunun önemli bir uygulama alanı da elyaf optiğidir.

Optik lif aslında çok ince bir cam çubuktur. Bu çubuğa bir ucundan gönderilen ışık ışınları, içte sürekli tam yansımaya uğrayarak çubuk boyunca ilerler, çubuğun kıvrıldığı ve dirsek yaptığı yerlerde de çubuk içinde kalarak öteki uca ulaşır. Cam çubuk yerine çok ince liflerden oluşan bir lif demeti kullanıldığında, ışığın daha keskin kıvrımları ve köşeleri de dönebildiği gözlenmiştir. Uçlan taşlanıp perdahlanmış bir lif demetinin bir ucunun önüne konan bir cismin görüntüsü öteki uçta belirir.

Böyle bir lif demeti tıpta ve sanayide, doğrudan ulaşılamayan yerlerin gözlenip incelenmesi amacıyla kullanılabilir (optik sonda, endoskop). Liflerin kesiti küçüldükçe ayırma (ince aynntıları seçilebilir duruma getirme) gücü büyüdüğünden, çaplan 0,005-0,1 mm arasında değişen çok ince liflerden oluşmuş birkaç bin liflik demetler kullanılır. İletişim alanında optik liflerin çok önemli bir yeri vardır. Liflerin bir ucundan verilen ve sesle (konuşma, müzik vb) modüle edilen ışık, bu bilgiyi öbür uçtaki alıcıya iletir; ışığın frekansı çok yüksek olduğundan, bir tek ışık ışınma yüz binlerce bağımsız ses kanalı bindirilebilir.

Kimyasal maddelerden etkilenmeyen camlar da özel camlar arasında önemli bir yer tutar. Bileşim olarak soda-kireç-silis camı ile borosilikat camı arasında yer alan ve “nötr” cam (ampul camı) olarak adlandırılan özel camlar, ilaç ampullerinin yapımında kullanılır. Sodyum ya da cıva buharı içinde bir elektrik boşalımı oluşturarak çalışan sokak aydınlatma lambaları için de özel camlar gerekir, çünkü sodyum ve cıva buharı camların çoğunu etkiler. Bütün adi camlan hızla çözen hidroflüorik aside dayanıklı özel bir fosfat camı üretilmiştir.

Bir başka tür fosfat camı da, saydam (dia) göstericilerinde yaygın olarak kullanılan ısı soğurucu camdır. Alkalilerin cam yüzeyini zamanla etkilemesini engellemek amacıyla cam yüzeyine sülfatlama işlemi uygulanır. Genellikle şişelerin iç yüzüne uygulanan bu işlemde, şişelere kükürt dioksit ya da kükürt trioksit gazlan doldurularak bir süre bekletilir. Böylece elde edilen sülfatlı camların kimyaşal dayanıklılığı adi cama oranla 100 kat daha fazladır. Sürekli doldurularak uzun süre kullanıma sunulan meşrubat şişelerinin dış yüzeyleri ise, mekanik etkilere dayanıklılığını artırmak amacıyla, çok ince bir titan oksit katmanıyla kaplanır (titanlama ).